В темноте космического пространства сияет голубым светом наша планета, почти на три четверти покрытая водой. Все проникнуто и охвачено ею. Нет земного вещества, которое не заключало бы воду. Даже в огненной магме её содержится до 12 %. Растительный и животный мир на 60–95 % состоит из воды. Вода является колыбелью и основой жизни.
Поэтому решением вопросов гидравлики люди стали заниматься в глубокой древности.
Однако прошло много веков и даже тысячелетий, прежде чем начали появляться попытки сделать научные обобщения наблюдений за гидравлическими явлениями.
Доисторические времена.
Ещё при первобытно-общинном строе человек начал использовать реки и озёра как пути сообщения (рис.1). Он «научился ставить парус раньше, чем седлать коня. Шест и весло стал использовать на реке и в море раньше, чем колесо на суше» [1, с.3].
Уже тогда на реках и водоемах начали строить при-митивные мосты в Египте (рис.2) и сооружать простейшие жилища на деревянных сваях (рис.3).
Вода всегда была непременным условием существования человека. Но она была и причиной, бедствий, когда её было слишком много (наводнение) или слишком мало (засухи). Поэтому уже в глубокой древности велись наблюдения за режимом рек и водоёмов, делались попытки предсказания их изменений. Ярким примером являются наблюдения древних египтян за уровнем воды в Ниле, начавшиеся еще 3000 лет до н. э. Для этой цели возводи-лись специальные устройства – Ниломеры.
Развитие земледелия в Северной Африке и Средней Азии и необходимость водообеспечения поселений вызвали строительство простых водопроводных устройств (рис.4) и различных водоподъёмных средств. Известно, что за 1700 лет до н. э. в Каире для подъёма воды из колодца глубиной 90 м использовали устройство в виде бесконечной цепи с ковшами. За тысячу лет до н.э. уже применялось водоподъемное устройство (прототип Архимедова винта) в виде наклонно расположенного вала с винтовой нарезкой, который вращался человеком в полуоткрытом лотке и обеспечивал подъём воды на высоту 5 м [2, с.15].
Археологические исследования свидетельствуют, что за несколько тысячелетий до н. э. в Египте, Греции, Китае, на территории Средней Азии уже существовали плотины, оросительные каналы, акведуки, на реках использовались мельницы и мосты, строились гребные и парусные корабли (рис.5) [3, с.50].
В IV тысячелетии до н. э. в странах Древнего Востока начался переход от первобытнообщинного строя к более прогрессивному – рабовладельческому строю. Несмотря на примитивную технику строительного производства, рабовладельческое общество смогло скооперировать труд большого количества людей и создать гидротехнические и другие сооружения, способные своими размерами удивлять современного человека. Так в 3890 г. до н. э. египтянами была построена первая крупная плотина на р. Ниле, а позднее, в 2200 г. до н. э., создана целая сеть гидротехнических сооружений: каналов, шлюзов, водохранилищ [4, с.11]. На гидротехническом строительстве применяли огромные водочерпательные колеса, приводимые в движение рабами. Сбоку обода колеса крепились ящики (черпаки) и вода, зачерпнутая снизу при вращении колеса, поднималась этими черпаками вверх. Рабовладельческому миру были также известны идеи устройства водяных двигателей, использующих силу падающей воды. Однако такие машины почти не применялись.
При строительстве ирригационных сооружений и их эксплуатации принудительный труд применялся в колоссальных размерах. Так, чтобы поднять воду из реки и наполнить ею каналы, египтяне использовали шадуфы – водочерпалки с рычаговой системой типа журавля. Они представляли собой водоподъемное устройство в виде качающегося на стойке шеста, на одном конце которого навешивался другой шест или веревка с кожаным мешком или ведром, а на другом – противовес (груз). Многочисленные шадуфы располагались вдоль каналов. И тысячи закабаленных тружеников с утра до вечера, день за днем перекачивали воду из одного канала в другой, расположенный на ступеньку выше (рис.6).
Издавна были известны и различные бытовые гидравлические устройства.
Так, ещё во втором тысячелетии до н. э. греки использовали водяные часы на собраниях и судах (рис.7, а). Каждому выступающему наливали определенное количество воды и он мог говорить, пока вода перетекала из верхней чашки в нижнюю. Как только вода кончалась, оппоненты дружно кричали: «Твое время истекло!» [5, с. 93].
Даже древнегреческому философу Платону (428–348 гг. до н.э.) приписывают изобретение водяного будильника (рис.7, б). Часы представляли собой скульптуру музыканта, который звуком своей флейты будил хозяина или собирал на лекции и занятия учеников платоновской академии (первое в мире учебно-научное учреждение). Воздух во флейту вытеснялся сбрасываемой в нижний сосуд водой после постепенного наполнения верхнего сосуда из капельницы и срабатывания клапана [6, с.33]. Однако, все вышеописанные сооружения и устройства создавались на базе чисто практических навыков без каких-либо научных основ.
Период Древней Греции.
В процессе трудовой деятельности люди накапливали знания о природе и пытались обосновать их. Такая попытка сделана любимым учеником Платона Аристотелем (384–322 г.г. до н. э.), который собрал и систематизировал почти все знания своего времени. Его учение, хотя и содержало отдельные правильные положения, но впоследствии оказалось во многом ошибочным. Плавучесть дерева, например, объяснялась наличием воздуха в нём, а движение тел – наличием окружающей среды (воды, воздуха): движущееся тело толкает находящуюся перед ним среду и этот толчок распространяется как бы по кругу, возвращается к телу с обратной стороны и таким образом поддерживает его движение в среде [7, с.13]. Но он правильно подметил, что среда вместе с тем оказывает сопротивление движению тел и тем большее, чем она плотнее.
Позднее, за 250 лет до. н. э., древнегреческий механик Архимед (287–212 гг. до н. э.) написал трактат «О плавающих телах», где были заложены основы гидростатики и сформирован его знаменитый закон. Это сочинение считается первым из дошедших до нас научным трудом по гидравлике.
Позднее, за 250 лет до. н. э., древнегреческий механик Архимед (287–212 гг. до н. э.) написал трактат «О плавающих телах», где были заложены основы гидростатики и сформирован его знаменитый закон. Это сочинение считается первым из дошедших до нас научным трудом по гидравлике.
В этот период в Греции создавались разные гидравлические и пневматические устройства. Архимеду причисляют изобретение водоподъемного устройства в виде винта (рис.8, а).
Ктезибием (II век до н. э.) были изобретены духовое ружьё, водяные поплавковые часы (рис.7, в) и насос для тушения пожаров (рис.8, б) [3, с.54], который был изготовлен из бронзы и имел основные элементы современного насоса (плунжеры, цилиндры, клапаны). Герон Александрийский (I век н.э.) прославился как изобретатель фонтана оригинальной конструкции, водяного органа, автомата для отпуска святой воды, гидравлического привода дверей, статуй и фигур в театре марионеток (рис.8, в). Он также создал прототип паровой турбины. Правда, она оставалась только забавной игрушкой.
В греческих городах имелось хорошее водоснабжение. Водопроводы питали общественные водоразборные водоемы, куда вода поступала по керамическим и свинцовым трубам. Известно, что в середине VI в. до н. э. на острове Самосе был прорублен в скале водопроводный туннель длиной в 1 км, а позднее в Пергаме с использованием изобретения Ктезибия построен водопровод через глубокую долину с разницей уровней воды 130 м. В нем применялся самотечный трубопровод – сифон [8, с.127].
Городские дома имели внутренний водопровод и канализацию. В них устанавливались ванны в виде каменных кресел. В гимназиях устраивались бассейны. Трубы и детали водопровода выполнялись из обожженной глины (рис.9).
Период древнего Рима.
Римляне многое заимствовали у греков. Строились огромные и сложные для того времени сооружения: мосты, акведуки, системы водоснабжения. В Риме за 7 веков до н. э. построен «свайный мост» через р. Тибр, а на век позже – водопровод, сохранившиеся остатки которых свидетельствуют о высокой для того времени технике. Особый размах гидротехническое строительство стало приобретать в III в. до н. э. с началом применения измельченной породы вулканического происхождения для приготовления строительного раствора и римского бетона [8, с. 125].
Расцвет мостостроительного дела в античном Риме относится к царствованию императора Траяна в 98 – 117 годах. По его приказанию был построен арочный каменный мост через реку Тахо (рис.10). Ранние римские каменные водопроводы (акведуки) сооружались с IV в. до н. э. В их верхней части располагались каналы, в которых вода перемещалась самотеком. Акведук, построенный в 140 г. до н. э. на арочных опорах из тесаного камня, высотой местами до 15 м, подавал воду за 91 км [8, с. 128].
Во времена Траяна в Риме было 9 водопроводов с общей протяженностью 436 км [9, с. 26].
Период средних веков
длился после падения Римской империи (476 г.) около тысячи лет. Он отмечался всеобщим застоем в развитии человечества и регрессом гидравлики, как науки, т.к. установлению основных положений механики препятствовали церковь и развитие учения Аристотеля. С другой стороны, эпоха феодализма с её натуральным хозяйством не требовала решения новых гидравлических задач, хотя продолжали строиться различные гидротехнические сооружения, например, каналы в низовьях Амударьи (некоторые из них используются и по сей день), водопроводы из гончарных и деревянных труб на Руси в X–XI вв., в 1115 г. построен наплавной мост через Днепр у Киева, в 1516 г. возведена плотина из камня на реке Неглинке в Москве [10, с. 5].
Медленно происходило отделение промышленного производства от земледелия, появлялись крупные феодальные города. Энергетической основой производства в основном являлась мускульная сила людей и животных, силы потока воды. Мощность человека равнялась 54 Вт. Энергетические возможности лошади на приводе составляли уже 390 Вт, а водяного колеса – 1700 Вт [3, с. 66]. Поэтому начинали широко применяться различные виды водяных колес (рис.11) для привода мельниц и различных механизмов в горном деле и других отраслях. Но в этот период не появилось ни одного теоретического труда о покое и движении жидкости.
Эпоха Возрождения (XV–XVI вв.)
характеризуется бурным развитием человеческих знаний и всплеском в развитии гидравлики, чему способствовали наращивание сопротивления учёных церковному контролю и избавление механики от метафизических представлений, распространение знаний благодаря изобретению печати, рост городов в Европе и потребность промышленного производства в техническом усовершенствовании.
В этот период природа сделала исключение для человечества. Ей словно наскучила бесконечность обыденных характеров и она в итальянце Леонардо да Винчи (1452–1519 гг.) сконцентрировала линзой эпохи Возрождения такой спектр совершенств, каких хватило бы на добрый десяток людей, наверняка бы вошедших в историю прогресса [11, с. 27]. Он обладал обширнейшими знаниями в самых различных областях искусства, науки и техники, внес вклад во все основные разделы механики жидкости. Леонардо поставил первые лабораторные опыты и положил начало экспериментальной гидравлике, исследовав движение воды в каналах, через отверстия и водосливы; изобрел подводную лодку, различные гидромашины (центробежный насос, гидравлический пресс, мельницы), летательные аппараты (вертолёт, планер, парашют) и приборы (анемометр и гигрометр) [9, с. 10].
Позднее в 1585 г. голландский механик С. Стевин дал правило вычисления силы давления жидкости на плоскую стенку и объяснил гидростатический парадокс.
XVII век отмечен следующими основными достижениями: итальянский учёный Г. Галилей показал, что гидравлическое сопротивление возрастает с увеличением скорости движения твердого тела в жидкости и ее плотности (1612 г.), а его ученик Э. Торричелли получил формулу для скорости истечения невязкой жидкости из отверстия (1641 г.); французский физик Б. Паскаль открыл закон о передаче внешнего давления в жидкости (1653 г.), который явился основой для расчета прессов и гидроподъемников, а английский физик И. Ньютон сформулировал гипотезу о внутреннем трении в жидкости (1686 г.) [9, с. 10–12, 15, 20].
XVIII век явился для России новым историческим периодом: в недрах феодального общества крепла молодая национальная буржуазия, строились новые города, сооружались каналы, росли добыча и переработка руд. Петр I приглашал в Россию немало западноевропейских ремесленников и ученых, чтобы помочь преодолеть научную и техническую отсталость феодального государства. Реформы Петра I подготовили и учреждение Академии наук, открытие которой состоялось в 1725 г. в только что построенной новой столице России Санкт-Петербурге. Здесь были заложены современные теоретические основы механики жидкости академиками Д. Бернулли, Л. Эйлером, М. В. Ломоносовым.
Д. Бернулли в 1738 г. опубликовал знаменитое уравнение, на котором базируются теоретические построения и практические гидравлические расчёты.
Л. Эйлер в 1755 г. вывел системы дифференциальных уравнений равновесия и движения жидкости.
М. В. Ломоносов в 1760 г. сформулировал в наиболее общем виде положенный в основу гидравлики закон сохранения массы и энергии, дал физическую интерпретацию уравнения Бернулли.
Однако сформулированные математические основы механики жидкости (гидромеханики) не могли удовлетворить всё растущие запросы промышленности и строительства. Это привело к формированию во второй половине столетия французской школы ученых-инженеров (А. Пито, А. Шези, Ж. Борда, Д. Вентури), разрабатываю-щих приближенные рекомендации на базе экспериментов, т.е. техническую механику жидкости (гидравлику). Их имена увековечены в названиях законов, зависимостей, коэффициентов и устройств, рассматриваемых в соответствующих разделах курса гидравлики. В это время техническое направление механики жидкости стало развиваться и в России М.В. Ломоносовым, который предложил упрощенный расчет гидравлических лотков, оригинальный прибор для измерения скорости и направления ветра – анемометр, вискозиметр, газовый барометр [9].
XIX век отмечен многочисленными исследованиями как общетеоретического, так и прикладного характера. Достижения этого периода связаны с именами французских ученых Ж. Пуазейля, А. Дарси, Г. Кориолиса, английского физика О. Рейнольдса, немецких ученых Г. Хагена, Ю. Вейсбаха и других. В России плодотворно работали П.П. Мельников (издал первый курс гидравлики), Д.И. Менделеев (указал на существование двух режимов течения и двух законов сопротивления), Н.П. Петров (разработал гидродинамическую теорию смазки), Н.Е. Жуковский (создал теорию гидравлического удара), И.С. Громека и другие.
XX век характеризуется разделением гидравлики на отдельные отрасли (инженерно-строительную, машино-строительную, судостроительную, нефтяную, подземную и т. п.), и переходом ведущей роли от французской к немецкой школе благодаря работам Ф. Форхгеймера и П. Блазиуса по гидравлическим сопротивлениям, М. Вебера по гидродинамическому подобию, Л. Прандтля по теории турбулентности. Значительный вклад в развитие гидравлики внес и американский гидромеханик Т. Карман по вопросам пограничного слоя, гидравлических сопротивлений и вихревых движений, и ученые из других стран.
Наша отечественная гидравлика за последние десятилетия также выдвинулась на одно из первых мест в мире в связи с бурным развитием гидротехнического строительства, авиационной техники, гидромашиностроения, теплоэнергетики и благодаря созданию ряда вузов и научно-исследовательских институтов гидромеханического и гидротехнического профиля. Среди них ВНИИ гидротехники им. Б.Е. Веденеева (ВНИИГ), ВНИИ водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (ВОДГЕО), институт гидромеханики СО РАН и др. Этому способствовали труды М.В. Келдыша, М.А. Лаврентьева, Л.И. Седова, Л.Г. Лойцянского по основным разделам гидромеханики, М.А. Великанова по теории турбулентности и русловым деформациям, Б.А. Бахметева по неравномерному течению в руслах, Н.М. Бернадского по речной гидрометрии, Н.Н. Павловского по фильтрации и неравномерному течению, И.И. Агроскина, И.И. Леви, В.М. Макковеева, Р.Р. Чугаева по расчёту течения в открытых руслах, А.Д. Альтшуля, Г.А. Мурина, Н.Ф. Федорова, Ф.А. Шевелева в области гидравлики трубопроводов и других наших ученых.
Список литературы:
1. Арабаджи М.С. В недрах голубого континента. М.: Недра, 1988.
2. Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов: Кн. для учащихся. – М.: Просвещение, 1986. – 255 с.
3. Зайцев Г.Н. История техники и технологий: Учебник / Г.Н. Зайцев, В.К. Федюкин, С.А. Атрошенко; под ред. В.К. Федюкина. — СПб.: Политехника, 2007. — 416 с.
4. Милославский М.Г. История строительной техники и архитектуры: Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 1964. – 246 с.
5. Молодежный календарь на 1989 год.
6. Горохов В.Г. Знать, чтобы делать. М.: 3нание, 1987.
7. Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики физической науки: Справ. пособие. М.: Высш. шк., 1989. – 576 с.
8. Виргинский В.С., Хотеенков В.Ф. Очерки истории науки и техники с древнейших времен до середины ХV века. – М.: Просвещение, 1993. – 288 с.
9. Чугаев Р.Р. Гидравлика: Учеб. для вузов. Л.: Энергоиздат. 1982. – 672 с.
10. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: Учеб. для вузов. Кн. 1 М.: Энергоатомиздат, 1991. 351 с.
11. Голованов Я.К. Этюды об ученых. М.: Молодая гвардия, 1970. – 288 с.
